李加威，張建潤(rùn)，陸 冬，周易達(dá)

（東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189）

結(jié)合聲強(qiáng)測(cè)試的風(fēng)冷式電冰箱聲品質(zhì)評(píng)價(jià)

李加威，張建潤(rùn)，陸 冬，周易達(dá)

（東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189）

為了快速、準(zhǔn)確地了解風(fēng)冷式電冰箱噪聲的聲品質(zhì)特性,提出了一種多源噪聲的聲品質(zhì)測(cè)試和分析方法。先通過聲強(qiáng)測(cè)試對(duì)各個(gè)噪聲源進(jìn)行精確定位、對(duì)各個(gè)噪聲源噪聲信號(hào)的頻率特性進(jìn)行充分了解；再通過聲品質(zhì)測(cè)試，得到各聲品質(zhì)參數(shù)的特性。最后，結(jié)合聲強(qiáng)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)。結(jié)果表明響度和抖動(dòng)程度主要受風(fēng)冷系統(tǒng)和冷凝器的噪聲影響；尖銳度和粗糙度主要受壓縮機(jī)噪聲影響。說明在多源噪聲且噪聲頻率復(fù)雜的情況下，通過聲強(qiáng)測(cè)試有利于準(zhǔn)確、快速的判斷出影響聲品質(zhì)的客觀參量。

聲學(xué)；風(fēng)冷式電冰箱；聲強(qiáng)測(cè)試；聲品質(zhì)

目前對(duì)冰箱噪聲的研究焦點(diǎn)大部分集中在傳統(tǒng)的降低A計(jì)權(quán)聲級(jí)，這遠(yuǎn)不能客觀反映出人們對(duì)其噪聲的確切感受[1-3]?？紤]心理聲學(xué)參數(shù)的聲品質(zhì)可定義為人類對(duì)聲音感受需求的滿足程度，更能準(zhǔn)確反映人的主觀感受，即對(duì)聲音進(jìn)行人性化評(píng)價(jià)[4]。所以對(duì)風(fēng)冷式電冰箱進(jìn)行聲品質(zhì)研究可以幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)者了解消費(fèi)者偏好、并提升產(chǎn)品性能[5]。聲音品質(zhì)的改善目標(biāo)是在低噪聲的基礎(chǔ)上適應(yīng)消費(fèi)者的要求，使之變得容易被人接受。

目前，大部分聲品質(zhì)客觀研究停留在對(duì)特定產(chǎn)品聲品質(zhì)客觀參量的簡(jiǎn)單描述，對(duì)影響產(chǎn)品聲品質(zhì)參量特定頻率的噪聲以及其來源的研究不夠深入。在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行聲品質(zhì)研究前，了解產(chǎn)品噪聲特性很有必要[6]。風(fēng)冷式電冰箱由于加入了風(fēng)冷系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的直冷式電冰箱具有更多的噪聲源，且部分噪聲在頻段上有重疊，其噪聲為典型的多源噪聲，這為聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)中確認(rèn)具體頻段內(nèi)噪聲的來源及貢獻(xiàn)率造成了一定困難。這些問題通過聲強(qiáng)測(cè)試可以得到很好的解決,從而提高了聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)的效率和準(zhǔn)確性。

1 測(cè)試與評(píng)價(jià)原理

1.1 聲強(qiáng)測(cè)試原理

本次聲強(qiáng)測(cè)試中采用的是雙傳聲器法求聲強(qiáng)的分布。雙傳聲器法的原理為：設(shè)空間某點(diǎn)C的x方向聲強(qiáng)定義為

式中Ix(t)——C點(diǎn)x方向的聲強(qiáng)；

u(t)——C點(diǎn)x方向的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度；

p(t)——C點(diǎn)的聲壓；

t——時(shí)間。

兩傳聲器A和B安裝相距一小段距離Δr，設(shè)兩傳聲器的聲學(xué)中心的連線方向?yàn)閤，當(dāng)聲波沿x方向行進(jìn)時(shí)，所測(cè)出的兩個(gè)聲壓PA(t)及PB(t)之間存在梯度。

設(shè)兩傳聲器聲學(xué)中心之間的距離為Δr遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ，同時(shí)，兩傳聲器之間中點(diǎn)的聲壓可以認(rèn)為是PA(t)及PB(t)的平均值，則x方向的瞬時(shí)聲強(qiáng)為：

取其時(shí)間平均就可以得到x方向上的聲強(qiáng)。對(duì)于隨時(shí)間任意變化的信號(hào)p(t)和u(t)，可以利用傅里葉變換轉(zhuǎn)換成頻域中的P(ω)和U(ω)，在經(jīng)過一定的推導(dǎo)運(yùn)算就可以得到聲強(qiáng)的頻譜密度[7]

式中ρ為空氣密度，ω為聲波角頻率，G12為互功率譜密度，Im表示取其虛部。

對(duì)某測(cè)量面上的若干點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，便得到該面的聲強(qiáng)分布圖，進(jìn)而做出相應(yīng)分析。

1.2 聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)原理

聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)中，許多評(píng)價(jià)量是不通用的，而是針對(duì)某些特定的噪聲問題[8]。常用的聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)參數(shù)有響度、粗糙度、尖銳度、抖晃度等，目前只有響度的計(jì)算有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。臨界頻帶（Bark）是心理聲學(xué)中一個(gè)基本概念，所有的臨界頻帶連在一起就組成了人耳的聽覺區(qū)域,其實(shí)質(zhì)為一種頻率單位，與單位赫茲（Hz）可以相互轉(zhuǎn)換。

響度是人們對(duì)聲音強(qiáng)度的一種感受，單位是sone，它是人們對(duì)聲音感知影響最大的一個(gè)參量，表示聲音能量的強(qiáng)弱程度。本次測(cè)試的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)使用的是ISO 532中規(guī)定的B方法計(jì)算響度，由于臨界頻帶對(duì)響度計(jì)算有很大的影響，因此其在構(gòu)造響度模型時(shí)，將總響度N看成是特征響度N（z）對(duì)臨界頻帶的積分，即

其中N(z)為在一個(gè)臨界頻帶（Bark）內(nèi)的特征響度，單位為sone GF/Bark。GF表示響度值是由臨界頻帶聲級(jí)計(jì)算得來的。在粗糙度和抖動(dòng)強(qiáng)度里都有類似的算法。

粗糙度和抖動(dòng)強(qiáng)度兩個(gè)參量都是描述聲音信號(hào)瞬時(shí)變化的快慢給人的感覺，單位分別是asper和vacil，噪聲信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致兩種不同的感覺，低頻變化時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)感，高頻變化產(chǎn)生粗糙感。粗糙度適用于評(píng)價(jià)20 Hz～200 Hz調(diào)制頻率的聲音，抖動(dòng)強(qiáng)度用于評(píng)價(jià)20 Hz調(diào)制頻率以下的聲音[9]。

尖銳度是描述高頻成分在總體聲音頻譜中所占比例的心理聲學(xué)參量，以acum為單位，它反映了聲音的刺耳程度。

2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試樣機(jī)：本測(cè)試樣機(jī)為某品牌大容量雙開門風(fēng)冷式電冰箱，樣機(jī)在測(cè)試前經(jīng)嚴(yán)格檢查，確保處于正常工作狀態(tài)。測(cè)試狀態(tài)參考GB/T 6882-2008選為噪聲最大的冷凍工況。

測(cè)試儀器：BEQ II數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、HEAD人工頭數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、B&K公司PULSE 3560 B聲強(qiáng)測(cè)試儀、安裝有相應(yīng)數(shù)據(jù)采集分析軟件的IBM筆記本、聲級(jí)計(jì)及其它儀表等。

測(cè)試場(chǎng)地：半消聲室。

3 聲強(qiáng)測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

合理的點(diǎn)陣布置是取得滿意測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)，點(diǎn)間距要求小于測(cè)試最短波長(zhǎng)，由于被測(cè)風(fēng)冷式電冰箱大部分噪聲頻率位于1.5 kHz以下。為保證測(cè)試精度以及測(cè)試效率，點(diǎn)間距選定為150 mm，網(wǎng)格大小設(shè)定為150 mm×150 mm。

測(cè)試平面與輻射表面的間距對(duì)聲強(qiáng)的測(cè)試有較大影響，兩個(gè)平面距離要求小于測(cè)試最短波長(zhǎng)的一半，因此實(shí)際測(cè)量中選擇距所測(cè)平面100 mm為測(cè)量面所在位置。

傳聲器之間的距離d不超過最短波長(zhǎng)的1/6長(zhǎng)度，這樣可保證差分誤差在1 dB以內(nèi)。根據(jù)噪聲分析頻率區(qū)間，本次測(cè)試中選取10 mm定距柱。

測(cè)試平面的面積為1650 mm×900 mm。點(diǎn)陣布置11行×6列，測(cè)點(diǎn)總數(shù)為66個(gè)。如圖1所示。

圖1 聲強(qiáng)測(cè)試網(wǎng)格劃分情況示意圖

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試前，根據(jù)冰箱的工作原理可知其主要噪聲源主要有：電冰箱壓縮機(jī)、電冰箱冷凝器、電冰箱風(fēng)冷風(fēng)扇。其中壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速為3 600 r/min、風(fēng)冷風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3 800 r/min。利用PULSE聲強(qiáng)分析軟件對(duì)測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以得到聲強(qiáng)測(cè)試測(cè)量表面內(nèi)任意測(cè)點(diǎn)及任意中心頻段的聲強(qiáng)分布及聲功率分布。

圖2(a)為電冰箱聲強(qiáng)測(cè)試全頻域下聲強(qiáng)分布云圖，從圖中可以清晰的看出測(cè)量表面內(nèi)聲強(qiáng)的分布，可見主要噪聲源分別集中在壓縮機(jī)、冷凝器以及風(fēng)冷風(fēng)扇和風(fēng)道處。

圖2(b)為全頻域噪聲聲功率1/3倍頻程A計(jì)權(quán)分布圖，由圖可見，電冰箱噪聲頻率主要分布在以下幾個(gè)頻段，其中心頻率按噪聲從大到小依次為400 Hz、250 Hz、315 Hz、200 Hz和500 Hz，其中250 Hz、400 Hz處噪聲較大。

圖2 聲強(qiáng)測(cè)試全頻域結(jié)果圖

圖3列出了各個(gè)典型中心頻段下噪聲的聲強(qiáng)分布，由于風(fēng)扇葉片數(shù)為4，旋轉(zhuǎn)噪聲頻率為253 Hz，所以250 Hz頻段的噪聲應(yīng)該是風(fēng)扇引起的旋轉(zhuǎn)噪聲和風(fēng)道內(nèi)的氣動(dòng)噪聲。

圖3 各典型中心頻率的聲強(qiáng)分布圖

中心頻率為400 Hz頻段內(nèi)的噪聲為主要噪聲，由400 Hz下聲強(qiáng)分布圖可知其來源于壓縮機(jī)工作噪聲、冷凝器內(nèi)冷媒流動(dòng)噪聲、風(fēng)道內(nèi)的氣動(dòng)噪聲，風(fēng)道內(nèi)的氣動(dòng)噪聲所占比例最大。

由200 Hz頻段下聲強(qiáng)分布圖可知，此時(shí)風(fēng)扇工作區(qū)后部的大面積冰箱壁板都在輻射噪聲，這可以說明風(fēng)扇的振動(dòng)通過其與壁板的支撐傳遞到了冰箱壁板上，引起了大面積壁板的振動(dòng)，從而輻射了一定程度的噪聲。由315 Hz中心頻率下聲強(qiáng)分布圖可知，其主要噪聲源是冷凝器內(nèi)冷媒流動(dòng)噪聲和風(fēng)道內(nèi)的氣動(dòng)噪聲。其他頻段內(nèi)的噪聲多為壓縮機(jī)工作噪聲。

4 聲品質(zhì)測(cè)試

4.1 測(cè)試方法

聲品質(zhì)測(cè)試目前無標(biāo)準(zhǔn)可循，為了結(jié)合聲強(qiáng)測(cè)試結(jié)果對(duì)冰箱噪聲進(jìn)行分析，并參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6882-2008、IEC 6070-1-2010，將人工頭置于離冰箱中心線1 000 mm、高度900 mm沿左右方向中心處。如圖4所示。

圖4 人工頭位置示意圖

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

通過測(cè)試軟件Head recorder完成聲品質(zhì)信號(hào)采集后，經(jīng)后處理軟件ArtemiS對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和處理，可以得到各聲品質(zhì)參量的數(shù)值。

圖5表示了特征響度在各個(gè)臨界頻帶內(nèi)的大小。左耳為靠近壓縮機(jī)一側(cè)，響度值為3.79 sone GF；右耳為靠近風(fēng)冷風(fēng)扇及冷凝器一側(cè)，響度值為3.82 sone GF。

圖5 特征響度曲線

對(duì)響度值貢獻(xiàn)最大的噪聲的頻率位于2 Bark～3 Bark，結(jié)合聲強(qiáng)測(cè)試結(jié)果分析可知：此范圍主要包括風(fēng)道內(nèi)的氣動(dòng)噪聲、冷凝器內(nèi)冷媒流動(dòng)噪聲、冰箱壁板結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲。且在整個(gè)臨界頻段上右耳處響度值大于左耳處，可知風(fēng)冷式電冰箱的響度主要受影響于風(fēng)冷系統(tǒng)和冷凝器的噪聲。

圖6為尖銳度的時(shí)域信號(hào)，人工頭左耳的尖銳度一直大于右耳，值分別為2.05 acum和1.75 acum。

圖6 尖銳度時(shí)域曲線

結(jié)合聲強(qiáng)測(cè)試可知：電冰箱左邊噪聲主要是壓縮機(jī)噪聲，且在高頻頻段內(nèi)只有壓縮機(jī)的噪聲。這說明風(fēng)冷式電冰箱的尖銳度值主要由靠近左耳邊的壓縮機(jī)噪聲提供。

圖7為特征粗糙度在各個(gè)臨界頻帶內(nèi)的大小。右耳粗糙度值為0.914 asper，左耳粗糙度值為0.907 asper。

圖7 特征粗糙度曲線

可見8 Bark～13 Bark內(nèi)的噪聲對(duì)粗糙度的貢獻(xiàn)較大，峰值出現(xiàn)在10 Bark～11 Bark，結(jié)合聲強(qiáng)測(cè)試可知：此頻段內(nèi)噪聲對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)工作噪聲和一部分風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪聲倍頻，但是主要由壓縮機(jī)工作噪聲提供。

圖8為特征抖動(dòng)強(qiáng)度在各個(gè)臨界頻帶內(nèi)的大小。右耳抖動(dòng)度為0.005 21 vacil，左耳抖動(dòng)度為0.004 93 vacil。

圖8 特征抖動(dòng)強(qiáng)度曲線

可見2 Bark～5 Bark內(nèi)的噪聲對(duì)抖動(dòng)強(qiáng)度的影響最大，峰值出現(xiàn)在2 Bark～3 Bark，由聲強(qiáng)測(cè)試結(jié)果可知：此頻段內(nèi)噪聲主要包括風(fēng)道內(nèi)的氣動(dòng)噪聲以及冷凝器內(nèi)冷媒流動(dòng)噪聲。

5 結(jié)語

針對(duì)風(fēng)冷式電冰箱等具有諸多噪聲源且各噪聲源在頻率上有重疊的產(chǎn)品，先對(duì)其進(jìn)行聲強(qiáng)測(cè)試，確定各個(gè)噪聲源位置及其噪聲頻率特性，了解同一頻段噪聲下個(gè)噪聲源的貢獻(xiàn)率大小，為風(fēng)冷式電冰箱聲品質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。避免了在多噪聲源情況下單純只做聲品質(zhì)測(cè)試導(dǎo)致的某個(gè)特定頻段噪聲來源不明、同一頻段噪聲中各噪聲源貢獻(xiàn)大小不明的情況，可以快速、準(zhǔn)確的完成多噪聲源情況下的聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)。并且使后期對(duì)噪聲和聲品質(zhì)的優(yōu)化更具針對(duì)性。

[1]張明鐸.A計(jì)權(quán)聲級(jí)在噪聲測(cè)量和評(píng)價(jià)中的不足[J].聲學(xué)技術(shù)，1995：4l-42.

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[8]孫強(qiáng).基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車聲音品質(zhì)評(píng)價(jià)與應(yīng)用研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2010.20-24.

[9]E.Zwicker and H.Fastl.Psychoacoustics,facts and models [M].Berlin:Springer,1999.

Sound-quality Objective Evaluation ofAir-cooled Refrigerators Using Sound Intensity Testing

LI Jia-wei,ZHANG Jian-run,LU Dong,ZHOU Yi-da
（School of Mechanical Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China）

To quickly and accurately learn the sound quality characteristics of air-cooled refrigerators,a new test and analysis method for sound quality evaluation of multi-sources noise was proposed.Firstly,the accurate localization of the noise sources was performed through sound intensity testing to fully understand the frequency characteristics of the noise sources.Then,through sound quality testing,the characteristics of the sound quality parameters were obtained.Finally,the sound quality of the products was evaluated by combining the sound quality testing result with the sound intensity testing result.The results show that the loudness and fluctuation of the refrigerator noise are mainly affected by the noise of the air cooling system and the condenser;the sharpness and roughness of the noise are mainly affected by the compressor noise.It implies that under the condition of multi-source noise and the complicated frequency combination of the noise signal,sound intensity testing is very helpful to quickly and accurately identify the noise sources and contribution of the specific frequency-band noises which affect the sound quality objective parameters.

acoustics;air-cooled refrigerator;sound intensity testing;sound quality

TM925.21；V216.5+4

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.038

1006-1355(2015)01-0187-04+203

2014－04－24

東南大學(xué)水聲信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（UASP1301）

李加威（1989－），男，江蘇宿遷人，碩士；研究方向：結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析與控制。

張建潤(rùn)（1962－），男，江蘇鎮(zhèn)江人，教授，博士生導(dǎo)師；研究方向：結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析與控制。E-mail:ljwseu@163.com